Исследование методов улучшения лидарных лазерных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 621.373.8

ЖЕЛТУХИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ ЛИДАРНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ АТМОСФЕРЫ

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный - 2004

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском и проектном институте азотной промышленности и продуктов органического синтеза (ГИАП)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Васильев Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Тулинов Георгий Филиппович

кандидат физико-математических наук Крученицкий Григорий Михайлович

Ведущая организация: Институт энергетических проблем

в химической физике РАН

Защита диссертации состоится "_" 2004 г. в 10 часов на засе-

дании диссертационного совета К 212.156.05 при Московском физико-техническом институте (Государственный университет) по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "_" января 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

кандидат физико-математических наук, доцент С.М.Коршунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проведение исследований в различных областях науки и техники, повышение эффективности технологических процессов, осуществление экологического мониторинга последствий вмешательства человека в природные процессы предполагают непрерывное совершенство традиционных и развитие новых методов анализа. Основные технические требования, предъявляемые к этим разработкам, заключаются в повышении чувствительности и избирательности анализа, расширении диапазона определяемых концентраций вещества и повышении экспрессности метода. Следует принимать во внимание и стоимость соответствующего устройства, его технический уровень и удобство при работе с ним, а также растущую дороговизну ручного труда, которая потребует при выполнении процедур химического анализа значительного расхода средств и времени.

Так, в настоящее время номенклатура химических материалов и веществ, подлежащих аналитическому контролю, содержит более 215000 наименований с измеряемым диапазоном их содержания от 100% до 10-5 - 10-6% масс. Поэтому задача совмещения преимуществ лазерных методов с невысокой стоимостью их инженерного решения актуальна для распространения лазерных технологий в области аналитики. Для этих целей лазерные комплексы должны развиваться в двух направлениях — разработка новых систем для дистанционного обнаружения источников выбросов вредных веществ в атмосферу (лидары) в новых более широких спектральных диапазонах и использование методов на основе внутрирезо-наторной спектроскопии для обнаружения очень малых концентрация примесей; в том числе, в применении метода частотного детектирования, поскольку техника частотных измерений является наиболее чувствительной, недорогой и простой в обращении.

В развитии недорогих и эффективных лазерных лидарных систем следует руководствоваться использованием методикой измерения коэффициента поглощения лазера на двух различных длинах волн. Такой двухчастотный лидар весьма перспективен для целей метрологического обеспечения экологического мониторинга.

Совершенствование систем контроля за качеством атмосферы основывается на совместном применении локальных и дистанционных инструментальных методов измерений. В этом случае метод дистанционного зондирования позволит обеспечить достоверный и систематический контроль атмосферы, поскольку чувствительные локальные методы повышают точность его измерений.

Это обстоятельство обуславливают необходимость дальнейших исследований по созданию прототипа лазерного спектрометра, использующего эффект взаимодействия мод в области ненасыщенной аномальной дисперсии газообразной поглощающей среды, помещаемой внутри лазерного резонатора ОКГ со сверх широкой линией усиления, а также применения двухчастотного лидара на основе перестраиваемого аммиачного лазера, генерирующего в диапазоне от 11 до 13,5 мкм, который возбуждается излучением СО2 лазера с длиной волны 9,22 мкм.

Цель работы - исследование возможностей применения в экологическом мониторинге атмосферы высокочувствительных лидарных лазерных систем на основе сочетания инструментальных комплексов локального и дистанционного вида, использующих двухчастот-иые спектрометр на базе двухмодового перестраиваемого непрерывного лазера на красителе и NHз - СО2 лидар. Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:

- теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия мод через усиливающую среду с широкой однородной линией люминесценции. Нахождение критерия устойчивости стационарного решения уравнений самосогласованности с поляризацией среды до кубичных по полю членов разложения включительно. Определение зависимости межмо-довой связи от спектроскопических характеристик среды.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА |

тановки, методики организации и контроля двухмодовои генерации непрерывного лазера на красителе;

- теоретическое и экспериментальное исследование влияния внутрирезонаторного поглощения на эффекты взаимодействия мод в двухмодовом НЛК. Вывод выражений для линейного аналитического сигнала и предельной чувствительности измерений. Описание методики получения информативного сигнала. Исследование влияния макроскопических параметров среды во внутрирезонаторной ячейке на ширину сигнала биений;

- создание нового лазерного спектрометра на основе двухмодового непрерывного лазера на красителе. Рассмотрение технических и естественных частотных шумов, снижающих точность измерений, и способов их подавления. Использование лазерного спектрометра с электротермической атомизацией пробы для определения концентрации натрия в реальных объектах. Экспериментальное определение предельной концентрационной чувствительности способа;

- исследование двухчастотного лазерного лидара на основе импульсного NH3 лазера с накачкой излучением СО2 лазера. Разработка оптической схемы такой лазерной системы с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации СО2 и NH3 лазеров. Создание макета двухчастотного лидара на основе NH3 и СО2 лазеров в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм без применения дорогих спек-троанализаторов. Получить выражение для оценки концентрационной чувствительности для значимых для экологических измерений расстояний ряда важных атмосферных загрязнителей.

Научная новизна работы. Полученные в диссертации позволяют аналитически описать явления конкуренции аксиальных мод в непрерывных лазерах на красителях с внутренней поглощающей ячейкой при превышениях накачки над порогом генерации вплоть до 10-5-20 %. Впервые исследовано взаимодействие мод через активную среду со сверхширокой линией люминесценции, что позволило установить область стабильного двухмодового режима генерации в таких ОКГ. Впервые экспериментально и теоретически установлен факт существенного влияния пульсаций инверсии населенности на межмодовой частоте на сужение области устойчивого двухмодового режима работы лазера, показано, что влиянием линейной и нелинейной дисперсии активной среды на величину реализованных межмодо-вых интервалов в пределах линии люминесценции красителя родамина 6Ж можно пренебречь. Впервые теоретически и экспериментально исследовано влияние резонансного внут-рирезонаторного поглощения на частотный спектр двухмодового лазера со сверхширокой однородной линией усиления. Получены аналитические выражения для лэмбовских коэффициентов поляризации в третьем порядке разложения поляризации среды по полю, позволяющие установить связь между амплитудой частотного резонанса и внутрирезонаторным поглощением. Найдено выражение для оценки предельной чувствительности измерений, которое опытно подтверждено.' Исследовано влияние макроскопических параметров поглощающей среды на ширину сигнала биений. Предложены новые методики определения диаметра атомов и молекул в основном и возбужденном состояниях, констант столкнови-тельного уширения атомов в постороннем газе и самоуширения и кинетических коэффициентов испарения пробы в трубчатой печи.

Впервые предложена и исследована новая оптическая схема двухчастотного СО2 излучателя для ИК-лидара. Разработана новая оптическая схема двухчастотного NH3 - CO2 лидара с автоматическим смещением опорного и измерительного пунктов во всем спектральном диапазоне генерации NH3 и СО2 лазеров. На основе NH3 - СОг излучателя создан новый макет двухчастотного NH3 - СО2 лидара в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм без использования сложного и дорогостоящего спектроанализатора высокого разрешения для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

В-работе были получены и выносятся автором на защиту следующие научные результаты:

1. Найдены лэмбовские коэффициенты поляризации активной среды, в третьем порядке разложения по полю, позволяющие описать явление конкуренции аксиальных мод в ОКГ со сверхширокой однородной линией усиления. Установлен критерий устойчивого режима генерации двух мод. Теоретические данные подтверждены экспериментально.

2. Показано, что между линейной ненасыщенной дисперсией внутрирезонаторного поглощения и изменением межмодового расстояния (амплитуды частотного резонанса) существует прямопропорциональная зависимость. Теоретическая зависимость подтверждена экспериментально.

3. Показано, что интерпретация теоретической и экспериментальной зависимости частотного резонанса от давления позволяет, определить константы столкновительного уширения спектральных линий в спектрах поглощения атомов в постороннем газе и само-уширения, а также дилольные моменты возбужденных атомов и молекул и их диаметр.

4. Создан высокочувствительный лазерный спектрометр с регулируемым в диапазоне 0,9 — 8,0 ГГц межмодовым расстоянием на основе перестраиваемого непрерывного лазера на красителе, работающего в спектральном диапазоне 560-615 нм в режиме генерации двух аксиальных мод.

5. Разработана специальная оптическая схема СО2 лазера позволяет получить двух-частотный лазерный пучок с пространственно совмещенными компонентами во всем спектральном диапазоне генерации СО2 лазера, в результате чего отпадает необходимость.в сложной схеме сведения пучков.

6. Создан на основе импульсного перестраиваемого излучателя двухчас-тотный лидар с далеко разнесенными частотами, работающий в спектральном диапазоне 9 -13,5 мкм и имеющий пространственно совмещенные компоненты лазерного пучка во всем указанном диапазоне.

Практическая ценность. Полученные результаты развивают существующие представления о получении и использовании двухчастотного (двухмодового) режима генерации в ОКГ с различными типами активной среды и характера уширения линии усиления для решения задач линейной и нелинейной лазерной спектроскопии и метрологии, включая дистанционное зондирование атмосферы и обеспечение ультравысокой чувствительности локальных методов регистрации поглощения. Предложенный в диссертации способ регистрации ультрамалых количеств вещества в пробе может оказаться полезным для аналитического обеспечения локальных измерений экологического контроля, а также определения констант столкновительного уширения спектральных линий в спектрах поглощения атомов в постороннем газе и самоуширения, дипольных моментов и диаметров возбужденных атомов и молекул, кинетических коэффициентов испарения вещества. Применение двухчас-тотного метода лазерной спектроскопии в дистанционном зондировании атмосферы в новом спектральном диапазоне от 9 до 13,5 мкм на основе лазерной системы позволяет существенно расширить номенклатуру детектируемых вредных атмосферных загрязнителей, таких какдиоксины, фреоны, ароматические соединения, цианиды, силикаты, циклические углеводороды и другие, обладающих свойствами канцерогенности, эмбриональной токсичности, хромосомных и генных мутаций..

Личный вклад автора в проведенные исследования. Основная часть исследований была проведена автором.

Достоверность результатов. Полученные в работе результаты являются физически непротиворечивыми, поскольку опытные данные качественно и в пределах экспериментальных ошибок количественно совпадают с теоретическими, а также в предельных случаях совпадают с результатами, полученными другими авторами и согласуются с известными экспериментальными данными. Все результаты получены при использовании современных методов проведения экспериментов и теоретических расчетов: спектрального анализа, импульсной осциллографии, фотографии, математического анализа.

Апробация работы. Основные результаты работы, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях:

1.1-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Современные проблемы физики и ее приложений" (Москва, ВДНХ СССР, 1987).

2.13-я Международная конференция по фотохимии (Будапешт, Венгрия, 1987).

3. 2-я Всесоюзная научно-техническая конференция "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990).

4. 1-я Всесоюзная конференция "Физика и конверсия" (Калининград, Звездный городок, 1991).

5. Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике КиНО'91 (Ленинград, 1991).

6. 13-й Международный симпозиум по газовым потокам и химическим лазерам и конференции по мощным лазерам (Флоренция, Италия, 2000).

7. ХЬУ1 Научная конференция Московского физико-технического института "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" (Москва - Долгопрудный, 2829 ноября 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использовавшейся литерагуры. Работа изложена на 212 страницах, содержит 39 рисунков и 3 таблицы. Список использовавшейся литературы включает 239 наименований.

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы основные цели работы, указаны основные положения выносимые на защиту, а также описана структура диссертации.

В первой главе диссертации дан литературный обзор работ и сравнительный анализ лазерных внутрирезонаторных методов и техники, применяемых для аналитических измерений в настоящее время. Систематизированы все известные внутрирезонаторные методики лазерной спектроскопии и соответствующие устройства, применяемые для определения типа и концентрации вещества. Особое внимание уделено технике частотных резонансов при наблюдении эффектов ненасыщенного поглощения в резонаторе двухчастотного перестраиваемого лазера, а также использованию серийных лазеров на красителях в двухмодовом режиме генерации (ДМР) и соответствующим частотно-измерительным средствам (рис.1).

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию ДМР в данном типе ОКГ с сверхширокой однородно уширенной линией усиления, явлений, связанных с конкуренцией аксиальных мод, установлению области устойчивого ДМР лазера и возможностей регулирования типа связи мод и межмодовых расстояний.

Электрическое поле в резонаторе, содержащим активную среду, описывается уравнениями Максвелла в материальной среде в скалярной форме и считается суммой нормальных мод линейного резонатора. В качестве модели среды рассматривался набор двухуровневых атомных систем.

Решения уравнений определяют амплитуду и частоту соответствующих мод как

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 V

„ 1 у ё1 N а-ук

£2, +------:-'-

2еа Й У +(<а-У„)

где (2к - добротность моды к, и

а. =-

Л -

-и//-

>0,

(2)

_ 1 у • # (й-ук

Й У+О»-^)2

соответственно, коэффициенты линейного усиления и затягивания частоты моды к центру линии усиления.

В третьем порядке разложения поляризации по полю решения для лэмбовских обозначений других коэффициентов поляризации имеют вид:

' »6 й5 Ь I г /

16 *0й3 |.Г +<®-"|> ]

г г.-г»

32 I лг;

1

уг+(а>-у,У

П П Ма>-У{), _

и.

Г 1 | 1 Г 1 |_1

Г» + '0/2

+1ш[[(в>-у,) + «/]■ -^--+—-- •

(3)

/' + «(<»-»',) 7л

где N2 — вторая пространственная Фурье - компонента инверсной населенности. Стационарные решения характеризуются параметром связи в, который для случая

симметричного положения мод на контуре линии усиления равен

5 =

С =

в\г ,02\

А-А

Р-о

р+в

. Устойчивое стационарное решение Еу (О2 = 1и (0 имеет место в случае

0|Д • - а2,1 • 012,21 > о ИЛИ С < 1

Условие С < 1 означает, что насыщение усиления на частоте ^ой моды ее собственным полем больше, чем перекрестное насыщение, создаваемое полем другой моды. Тогда М2 1

для слабой связи мод имеем < —, которое приводится к виду

N

^2 20 1 —ь = СОБ 2—- < —

N \ о)2

Рис. 1. Схема экспериментальной ует»но«ки.

Л

Z0

(О-

к=9 7 s

* jf & »—J •

S # ¿5F £ $ Л? £ I #

M • ь» »—«

/Л?

2 4 В 8 Ю tZ П L/tt

Рис. 2. Диаграмма области устойчивости при t~+ 0, ? "

щ • I (верхний график дм С, нижний - для 5) .

Условие (4) определяет область устойчивости двухмодовой генерации как совокупности значений (Уг - V]), удовлетворяющих выражениям:

(5)

где к - нечетное.

Таким образом, устойчивость ДМР с \'г - VI = кс/41о соответствует минимуму перекрестного насыщения который адекватен сдвигу в четверть волны, то есть совпадению кучностей и узттп^пачтпюттлу игат ГпяЧИцы области устойчивости определя-

,с\ £ — от оптимального —.

ются из (6), как отклонения \2 4

Область устойчивости иллюстрируется диаграммой рис.2. Штриховыми прямыми на нем обозначены графики q = кЬ/21о, соответствующие четвертьволновому сдвигу мод и полученные из совместного решения (5). Каждый горизонтальный интервал 6q/(3k+l) < 1Д) < 6q/(3k-l) соответствует определенной паре мод резонатора к,д. Его длина есть диапазон изменения отношения 1/Ь около оптимального 1Ло = 2q/k. Наглядное представление о взаимодействии мод дает графическое представление фактора связи S. В случае его использования слабая связь соответствует S > 0 или С < 1.

Графики фактора связи S и С как функций 1/Ь и q представлены на рис.3 для m = 1 и показывают полную идентичность графического анализа взаимодействия мод с их использованием.

Энергетические выгодные условия имеют место для одной пары индекса q, соответствующее им значения в (или С) на графиках (рис.2) выделены сплошными линиями. В приближении 1о/кЬ « 1, амплитуда его отклонения от максимума 8=1/5 (минимума С = 4/9) достаточно хорошо описывается выражением

С~2 2 . Для практически реализуемых трехзеркальных НЛК с Ь/1о >8ДБ<0,15 Бо (А С 5 0,15 Со).

На рис.4 приведены зависимости частотных сдвигов устойчивых по критерию (4) мод, соответствующие графикам на рис.2. Участки энергетически выгодных пар обозначены сплошнымилиниями. При ЬЛо < 3 имеются единственные для каждого интервала (5) ус-• тойчивые пары.

Таким образом, в НЛК взаимодействие мод сводится к эффективному подавлению таких аксиальных мод, которые не удовлетворяют условию (4). Поэтому, активный слой нельзя рассматривать как эффективный предселектор мод, поскольку нет причин говорить о внесении им каких-либо частотно-зависимых потерях. Напротив, речь идет о частотно-зависимом (рис.2) усилении привилегированных мод, удовлетворяющих (4).

Выделение среди последних необходимой пары осуществляется стандартным способом с внесением частотно-зависимых потерь. Очевидно, что чем меньше разбаланс потерь, тем устойчивей пара.

Из (2) + (3) также следует, что межмодсвые интервалы равны

1 ;г V, -V,

" " 3 -1 (6)

Д У[2 = У2-У1 =ДПа- -V—N 2 еЛ

Таким образом затягиванием частоты генерации лазера

к центру линии усиления можно пренебречь и считать, что отклонение от частотного расстояния пустого резонатора очень мало, то есть

Проводилось также экспериментальное исследование ДМР в НЛК.

Экспериментальная установка схематически изображена на рис.1. Серийный лазер на красителе имеет стандартный трехзеркальный резонатор с компенсацией астигматизма, вносимый стурей красителя 1 родамина 6Ж в этиленгликоле. Она прокачивается в каустике между глухими сферическими зеркалами 2 и 3 с радиусами кривизны 5 см на расстоянии

5 см от концевого зеркала 2. Плоское выходное зеркало 4 имеет отражение 98%. Длина резонатора Ь, образованного зеркалами 2-4, варьируется в пределах 40-90 см с точностью установки = 0,05 см. Селектор включает блок эталонов Фабри-Перо 5 и фильтр Лио б.Первый состоит из двух пластин плавленого кварца с толщинами 0,5 и 4,0 мм и укреплен в выходном юстировочном узле базового лазера. Фильтр Лио составлен из трех пластин кристаллического кварца с толщинами, соответственно 0,6, 1,2 и 9 мм. Поперечный сдвиг луча в фильтре Лио компенсируется плоскопараллельной пластиной плавленого кварца 7. Накачка красителя осуществляется излучением всех линий аргонового лазера 8 (серийная модель ЛГН-406).

Анализ выходного излучения лазера производится одновременно в трех оптических каналах, образованных светоделителями 9, 10. Первый, содержащий монохроматор МДР-2 11, фотоприемник ФД-2 12 и измерительный резонансный усилитель Ч2-8 13, служил для выставления и контроля длины волны генерации. Во втором канале, который включал интерферометр Фабри-Перо 14, сканируемый напряжением треугольной формы с генератора Г6-28 15, фотоприемник" ФД-2 16 и осциллограф С1-103 17, анализируется амплитудный спектр мод генерируемого излучения. Диапазон свободной дисперсии конфокального интерферометра 14 равен 3 ГГц, резкость - 20. В третьем оптическом канале с помощью быстродействующего (время нарастания фронта т < 0,5 нсек) фотоприемника 18 (лавинный фотодиод ЛФД-2 А) и радиочастотного спектроанализатора С4-27 19 контролируется спектр межмодовых биений лазерного излучения и регистрируется их абсолютная частота.

При средней мощности накачки 2,5 Вт генерация НЛК непрерывно перестраивалась в диапазоне длин волн X = 565-615 нм.

Были измеренные частоты межмодовых биений для различных значений X и Ь. Квадратичной интерполяцией экспериментальных точек получена эмпирическая формула

совпадающая с теоретической для фазоизо-тропного резонатора в пределах погрешности спектроанализатора 19. В целом поле точек хорошо согласуется с теоретическим интервалом 1 ГГц < (Ою < 2 ГГц, рассчитанном по (5) для к = 1 и1о = 5см. Б и е<»н<Л>?яПщ е зафиксированы.

Для выделения осцилляций мод с индексом к > 1 применялся резонансный отражатель. Измерения по спектрограммам, полученным с помощью плоскозеркальных сканируемых интерферометров Фабри-Перо с диапазонами свободной дисперсии 6 и 9 ГГц, соответственно, и резкостью -10. Полученные значения хорошо укладываются в интервалы (5) для т = 3 и 5, равных, соответственно, 4,5 ± 0,5 и 7,5 ± 0,5 ГГц.

Значения коэффициентов поляризации среды (3) для ДМР и слабом взаимодействии мод (С > 1) точно определяют экспериментальную область устойчивого стационарного существования мод. Причем величина области устойчивого ДМР не зависит от индекса д продольных мод, а определяется лишь Хорошее согласие развитой теории и эксперимента подтверждают установленные здесь критерии устойчивости ДМР, а также геометрические соотношения для лазеров на красителях с малой толщиной слоя активной среды. Эти данные показывают, что однородный характер уширения приводит к независимости межмодо-вой связи от спектроскопических характеристик среды, которая определяется, главным образом, пространственным сдвигом мод, приводящим к оптимальным

Вместе с тем, традиционная точка зрения на определяющее значение пространственного выгорания инверсии в механизме конкуренция мод в НЛК, связанном с пространственной неоднородностью их полей, претерпела в нашем анализе существенное качественное и количественное развитие. В выражении (3) для 0 чисто населенностный механизм, аналогичный собственному насыщению (3) для (3, определяют только первые два члена в квадратных скобках. Существенен и другой механизм (два последних слагаемых), ответственный за пульсации населенности на разностных частотах мод, который выявился в выражении для разности населенностей во втором порядке по полю. В НЛК вклады этих механизмов в поляризацию среды равны и пренебрежение членами насыщения на межмодовой частоте не является обоснованным. Таким образом, именно пространственные эффекты когерентной межмодовой связи (на межмодовой частоте) в 3-ем порядке по полю обьясняют неустойчивость пар с разностью частот, выходящей за пределы неперекрывающих интервалов (5). Ширины спектра сигнала биений составила 10-20 кГц определялась техническими факторами.

В третьей главе диссертации приведены данные теоретических и экспериментальных исследований по регистрации частотных резонансов в НЛК с внутренней поглощающей ячейкой, когда ненасыщенная дисперсия спектральной линии поглощения некоторым образом влияет на частоты генерируемых мод.

Теория лазера с внутренним поглотителем строится с применением формализма матрицы плотности. Считается, что активная и поглощающая среды состоят из независимых двухуровневых атомных систем, взаимодействующих с электромагнитным полем внутри резонатора. Решения для коэффициентов поляризации в случае ДМР для членов в третьем порядке по полю имеет следующий вид:

я 20. 2е0киН ХК"' 2 е0 киН

В Л^^Ь^п^)1 1+_Г_1_"I

1б£0й' ки гл г I.

а.

V »■ ) . 1 +-1-

[ у2 +(«-!/„)

еа-у. г1

У Г^^Га+Гь 1 '(^ьг) 0>-У. г2

КоЬ1 и, « «,

(7)

(8)

Выражения для Элл, и т„га приведены для симметричной настройки мод на контуре линии поглощения.

Влияние внутрирезонаторного поглощения при работе НЛК в ДМР с учетом того, что а = (с!п/2Ь)(а5 - у), где аз - дифференциальный коэффициент поглощения, у - линейные потери на единицу длины, !„ - длина поглощения, 1, - длина резонатора, у = \у/20с определяется выражением

1т{г(и)} <„ с-Яе{г(о)} £

И это дает для определяемого вклада поглощения в частотный резонанс следующее значение

где полагаем, что потери на поглощении равны для обеих мод и 2(и) — плазменная дисперсионная функция.

Тогда для вклада линейной дисперсии поглощения Д имеем

Д<В|2=с® -^^-Рг!

где

(10)

где i = 1,2, у - однородная, ки(1п2)й - неоднородная полуширины линии поглощения, i2i — моды резонатора, w - центральная частота линии поглощения.

При симметричной отстройке (<Г| = -стг) мод от центра линии поглощения наблюдается максимальный вклад линейной дисперсии в регистрируемый частотный резонанс мо-довых биений До», т.к. max |F| - F2I = 2F.

max |Дсо| = c;e^-2F

Тогда для выражения, определяющего чувствительность регистрации поглощения (или крутизну характеристики фотоотклика) имеем:

где тах |Г| = 1. При сохранении отношения 1„/Ъ в виде нераскрытого параметра оценка (11) абстрагирована от конкретного устройства и имеет общее значение. Следует отметить, что вывод выражений (И) не сопровождался какими бы то ни было ограничениями на величину и соотношения

Фактор Б представляет собой математический образ действия физических механизмов, определяющих чувствительность регистрации: Р ки, П) —

На рис.5 представлены графики зависимости фактора Б, характеризующие соотношение однородного и неоднородного уширения поглощения. На рис.б представлены графики зависимости Б как функции у/ки При ОТСТрОЙках — \у)/ки (симметричное положение мод) в качестве параметра.

Таким образом, вклад линейной дисперсии в частотный резонанс мод стремится к максимальному при уменьшении однородной ширины линии поглощения и выставления межмодового интервала, равного доплеровской ширине спектральной линии, с симметричным положением мод на контуре линии поглощения.

Вклад нелинейных членов ДW|^л в частотный резонанс мод дается выражением для условия доплеровского предела превышение накачки над порогом:

где первый член определяет вклад линейной (ненасыщенной) дисперсии, а второй -нелинейной.

График зависимости линейной дисперсии и модели, учитывающей нелинейные члены от у, приведенных на рис.7. Он показывает наличие локального минимума на зависимости при некотором у, которое может быть при ударном уширении истолковываться как изменение давления постороннего газа.

Для экспериментальной проверки предложенной в предыдущем параграфе модели взаимодействия мод в непрерывном лазере на красителе с внутренней поглощающей ячейкой был использован описанный выше двухмодовый струйный лазер (рис.1). Внутрь лазерного резонатора, соосно с его осью, была введена брюстеровская кювета, которая содержала пары натрия и могла заполняться примесным газом (гелий, аргон).

Были произведены измерения с ячейкой, не содержащей паров натрия. В этом холостом опыте изменялись в широком диапазоне параметры разогрева (до 2200 К) и давления примесного газа (до атмосферного). В пределах ширины спектра биений (10 кГц) изменений их частоты на индикаторе спектроанализатора 19 рис.1 не наблюдалось.

На рис. 8 показан частотный фотоотклик Д(йц на поглощение в насыщенных парах натрия (Т = const) в зависимости от давления Р„ постороннего (буферного) газа. Линейный характер фотоотклика в областях Р„ £ 0 и Р„ > 15 тор (> 210 Па) подтверждается качественными и количественными характеристиками, совпадающими с данными рис. 7 для ku =

а также отношением величин резонанса в точках 60 тор, которое имеет опытное значение 4:1 (рис. 8) и теоретическое - 2,5 :1 (рис. 7).

На рис.9 представлены экспериментальные зависимости AW]2 при изменении превышения т| усиления над потерями в отсутствии постороннего (буферного) газа (кривая 1) и для давлений 8 (кривая 2) и 15 (кривая 3) мм рт.ст.гелия при Т я const Они при Р = 0 и Р > 15 мм рт. ст.

max |F| = 2<?— = 6 • 1010 —, Гц/см

01)

Ряс. S. Зависимость фактора чуастштельиостм F от расстройки (П| • œyfeu мол от центра *нмии поглощения (симметричное положение 1 ал» Ikúflt)» 14 ГГв И различных j/(}(u/2*) a гелт (Рщш 0; 47; 140; 7£0горр).

расстроек мод от центра линии поглощения (симметричное положение)

линейный участок графика нелинейной дисперсии (14) дл» ц * 10, иярнчова» прямая 2 • ьеряняя границ» применимости (14).

не зависят ОТ Т|. В то же время отчетлива обозначена его полевая зависимость в области локального минимума (Р) (рис.8), которая выявлена теоретически и показана на рис.7. При этом наблюдается достаточное количественное и качественное совпадение теории и эксперимента.

Экспериментальная оценка чувствительности определялась по фиксированному усилению, при котором поглощение в зоне анализа (ге-1п) практически подавляло генерацию. Получена прямо пропорциональная зависимость (рис. 10).

(Д\у/®)|р-о = 1,5 • Ю10 (1Л). Гц/см"' (13)

С учетом параметров опыта эта чувствительность совпадает с теоретическим пределом (11). Следует также подчеркнуть и о качественном тождестве графиков теоретической (рис. 5) и экспериментальной (рис. 10) зависимостей. Обе зависимости достаточно точно соответствуют друг другу: отношения соответствующих экспериментальных и теоретических величин Д<0 отличаются менее чем в 1,5 раза, тогда как в отсутствии постороннего газа теоретическая модель точно соответствует экспериментальным данным. На рис. 11 приведен график зависимости сигнала от объема пробы.

Глава четвертая диссертации посвящена выяснению влияния условий атомизации на генерационный спектр лазера, источников флуктуации частоты и способах их устранения, а также моделированию концентрационного анализа объекта естественного происхождения.

Для демонстрации аналитических возможностей метода был создан прототип лазерного спектрометра, принципиальная схема которого эквивалентна показанной на рис.1. Кроме того, внутри резонатора лазера размещена стандартная аппаратура для приготовления поглощающего слоя по методике электротермической атомизации пробы, основу которой представляет соосная с осью резонатора трубчатая печь. Этот макет лазерного спектрометра предназначался для проведения аналитических измерений элементного состава вещества в жидкой пробе. С помощью калиброванной пипетки проба необходимого (до 100 мкл) объема вносится в трубчатую печь через имеющееся в ее верхней части отверстие диаметром 0,8 мм. Все процедуры приготовления жидкой пробы проводились стандартным способом.

Для экспериментальной демонстрации аналитических возможностей способа был промоделирован реальный анализ содержания натрия в водных растворах поваренной соли с заданными концентрациями в диапазоне с = Ю"7 - 10"3 г/мл (1(Г - 10 % В каче-

стве растворителя использовалась бидистиллированная вода. Максимальная температура внутренней стенки печи была 1730° С с погрешностью ±120°С.

Методика определения аналитического сигнала следует из методики регистрации частотных биений. Девиацию частоты «пиала биений Д и следует целиком приписать возмущению, определяемым поглощением внутри резонатора. Ширина спектра биений составила 5 кГц во всем интервале температур нагрева печи и давлений буферного газа.

На рис. 12 представлена опытная зависимость информативного сигнала Аса, данные относятся к пробе \= 50 мкл и Т = 1730 К. Особенностью графиков рис.12 является отклонение от линейности с ростом С и ограничение снизу концентрациями С £ 1 • 10"'% вес., отвечающих фоновым ¿Шф, которые очень близки к справочным для естественного загрязнения натрием: Сф = (1- 3) • Ю-4 % Масс. Наличие этих особенностей определяет линейную часть кривых 1 и 2 по величине концентраций около трех порядков в интервале С = 1Т05 +• Ы0"3% масс., ограниченную уровнем чистоты исходного дистиллята, отвечающего С < 1-10'5% масс. Тем не менее, опытные данные позволяют говорить о более мощных аналитических возможностях метода, не привязываясь при этом к каким-либо корректирующим теоретическим моделям. В самом деле составим следующую комбинацию измеренных в эксперименте величин Дсо, ДсОф И С:

П(С) = (Дсо - ДйфУС (14)

0,6-_

О о п О

V

1.2

Рис. 9. Экспериментальны зависимость да от накачки л » отсутствии буферного по» (1) я дяа дааленнй 9(2) в 1S (2) мм.рт.сс. гелия (темные точки) я аргона (светлые точки), Т ■ const.

/

в

f / //

// ■

О 2 Ч aso/bj юЛ*-1

Рис. 10. Экспериментальные характеристики фотоотклнка а отсутствии буферного газа (IX а также в атмосфере аргона (светлые точки) К гелия темные точки) при давлении 15 (2) и 35 мм рт.ет. (3).

д(г>,

МГц

з-

/

i

/

X"

■J^e—

Ьо SO V

At/Г/7

Рис. 11. Экспериментальна! эднсимосп информативного (аналитического) сигнал« ш от объема V пробы дм разлвчных значений концентрация С натрия: I 1Q'!(V), 410"3(.), МО'ЧЦо) я различных температур испарителя Тисп.: 900'С (—) и 1730'С(—).

10'* тсс.

10~* fir*'С/Жчосс

Рис. 12. Экспериментальная зависимость Рис. 13. Зависимость величины П or ком»

информативного сигнала от юз»- веитрадаи С иотрия в пробе ала

иеитраш С натрия в проблем оря атомюашт в вакууме (I) я в я»

вгоыюашш а вакууму (кривая I) я мосфере 2* 101 Па гелия (2). Тсм-

в атмосфере 2*10* Па гелия (кри* пература испарителя

вая 2). Фоновый енгиая от бндн- Т*-1730*С сталированной волы - пунктирная прямая 3.

Значения этой вспомогательной (но опытной) величины прямо следуют из данных на графике рис.12. Построенные по этим значениям графики зависимости П(С) представлены на рис.13.

Эти графики демонстрируют выход зависимости П(С) на плато, что является опытным доказательством ее постоянства при С < Ы0"4%МЗСС. С другой стороны, в силу ее определения, величина П(С) на линейном участке зависимости Аео (С) тождественна концентрационной чувствительности. Таким образом, при с < ькгЧ достигается предельная (в условиях опыта) концентрационная чувствительность определения следов натрия в водном растворе. В частности, для вакуумной атомизации она равна 7-109 Гц/% масс, а при оптимальных макроскопических параметров опыта объективно следует ожидать концентрационную чувствительность по натрию в водных растворах близкой к 1-1011 Гц/%масс.

Поэтому был проведен анализ частотных шумов лазерного спектрометра и методов их подавления. Оценка для данного типа спектромера дает величину шумов величиной 1 Гц, что подтверждает оценку чувствительности метода. Совершенствование данного способа связано с его независимостью от уровня генерируемой мощности, что позволяет решать проблему определения их концентрации с применением внутрирезонаторного удвоения частоты, а также распространение методики на регистрацию эмиссионных линий атомов.

В пятой главе диссертации приведены данные по совершенствованию двухчастотно-го ИК-лидара на базе МНз — СОг лазерной системы для дистанционного зондирования в целях экологического мониторинга атмосферы. Дан литературный обзор работ, посвященных основным методам лазерного зондирования атмосферы, проведена оценка чувствительности двухчастотного лидара в ИК-диапазоне спектра и намечены пути совершенствования параметров.

Дано описание новой оптической схемы двухчастотного СОг излучателя лидара, которая в качестве выходного зеркала использует интерферометр Майкельсона. Схема обеспечивает пространственное совмещение опорного и зондирующего лазерных пучков во всем спектральном диапазоне СОг лидара.

Также описаны разработанные оптические схемы двухчастотного ИНз лазера и схема зеркального сведения в коаксиальный пучок двух компонентов его излучения и двухчастот-ного на базе излучателя с исследованными оптическими схе-

мами ЫНз — СОг излучателей, которые обеспечивают коаксиальность зондирующего и опорного излучения лидара в спектральном диапазоне Даются основные тех-

нические характеристики разработанной лазерной системы и список атмосферных загрязнителей, детектируемых с помощью №!з — СОг лидара.

В Заключении приведены основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Рассчитаны основные параметры дисперсионного резонатора двухмодового непрерывного лазера на красителе с полосой пропускания до 8 ГТц и областью свободной дисперсии ~ 60 нм и соответствующей системы регистрации лазерного излучения.

2. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования явления конкуренции аксиальных мод в непрерывном лазере на красителе. Определены условия, при которых осуществляется устойчивый двухмодовый режим генерации. Показано, что межмодовая связь в таком лазере не зависит от спектроскопических характеристик среды.

3. Впервые наблюдались и экспериментально измерены частотные резонансы линейной (ненасыщенной) дисперсии в лазерах на красителях с внутренней поглощающей ячейкой. Измерена крутизна фотоотклика для разных типов и давлений посторонннего газа. Показано, что при определенных условиях фотоотклик не зависит от интенсивности внутрире-зонаторного поля. Теория хорошо согласуется с экспериментом.

4. Исследованы причины флуктуации ширины биений аксиальных мод в выходном излучении непрерывного лазера на красителе с оптической накачкой излучением аргоново-

го ионного лазера. Показано, что наложением более жестких требований к виброустойчивости резонатора, изолированности оптической схемы от окружающей атмосферы, системе формирования струи красителя и стабилизации выходной мощности лазера накачки можно снизить уровень частотных шумов излучения более чем на полтора порядка и довести ширину спектра биений до 2 кГц и менее.

5. Предложен новый способ линейной лазерной спектроскопии для целей атомно-абсорбционного анализа. Показана независимость аналитического сигнала от уровня и длительности импульса генерации, относительного уровня генерации в индивидуальной моде. Зафиксирована высокая избирательность метода. Теоретические результаты показали высокое соответствие опытным данным.

6. Разработан прототип нового лазерного спектрометра на основе двухмодового перестраиваемого НЖ с электротермической атомизацией пробы и частотной регистрацией информативного сигнала. Лазерный спектрометр применен для определения концентрации натрия в реальных объектах - водных растворах поваренной соли. При вакуумной атомиза-ции пробы объективно достигнута чувствительность 1 • 10й Гц/% масс.

7. Разработана и исследована новая оптическая схема двухчастотного СОг излучателя для лидара в ИК-диапазоне.

8. Разработана оптическая схема двухчастотного NH3 - СОг лидара с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации лазеров, позволившая отказаться от сложной оптической схемы совмещения пучков.

9. Создан макет двухчастотного лидара на основе NH3 и СО2 лазеров в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм без применения дорогостоящего спектроанализатора для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

10. Произведена оценка концентрационной чувствительности NH3 — СО2 лидара для ряда важных атмосферных загрязнителей.

Основные результаты работы опубликованы в следующих работах:

1. Желтухин АЛ. Измерение электронной плотности плазмы лазерным интерферометром. /Труды XXII Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ГИАП. М., ГИАП, 1982, с.7.

2. Желтухин АА Михеев Ю.Е., Никулин Е.С. и др. Лазерный интерферометр для измерения электронной плотности в плазмохимических аппаратах. М., Труды ГИАП, 1982, сс. 61-68.

3. Желтухин АА.,Козин Г.И., Коновалов И.П., Петров В.В. Трехзеркальный лазер - Газовые лазеры/ Под ред. ЕДПроценко. М., Энергоатомиздат, 1983, с.47-57.

4. Желтухин АА, Коновалов И.П., Савелов А.Р. и др. Диагностика плотных плазменных объектов. - Известия IX Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Фрунзе, 1983, с.32-33.

5. Гандурин АЛ., Герасимов СБ., Желтухин АА. и др. Разработка, изготовление и испытание макета лазерного газоанализатора. Отчет по теме № 3-16-80/82-84. ГИАП, М., 1984 -120 с.

6. Гандурин AJL, Герасимов СБ., Желтухин AJI. и др. Опто-акустический газоанализатор примесей NO, NO21 NH3, С2Н4 и предельных углеводородов. - Журн. прикл. спектроскопии, 1986, т. 45, № 2, с. 337-343.

7. Желтухин АА. Коновалов И.П., Проценко Е.Д. Непрерывный двухмодовый лазер на красителе. — Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы физики и ее приложений", 19-21 апреля 1987., М. 1987, с.31-32.

8. Konovalov I.Pn Zheltukhin АЛ. Double-mode dye-laser as a high sensitivity spectrometer. -In: Tesis ofXffi International conference ofPhotochemistry. - Budapest, Hungary, 1987, pp. 22-23.

9. Авторское свидетельство № 1499692. Лазер с селективным резонатором. Per. в Государственном реестре изобретений СССР 8 апреля 1989 г.

10. Авторское свидетельство № 1605758. Способ лазерного анализа. Per. в Государственном реестре изобретений СССР 8 июля 1990 г.

И. Желтухин А.А., Коновалов И.П., Проценко Е.Д. Лазер с селективным резонатором. -Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров: - Харьков, 9-11 октября. 1990.С.22-23.

12. Желтухин АА., Коновалов И.П., Проценко ЕД. Об устойчивости двухмодовой генерации в лазере на красителе. - Квантовая электроника, т. 17, № 2,1990, с. 137-141.

13. Желтухин АА., Коновалов И.П., Проценко Е.Д. Внутрирезонаторная дисперсионно-частотная линейная лазерная спектроскопия. - Препринт МИФИ № 039-91. М., 1991 — 24 с.

14. Желтухин АА., Коновалов И.П., Проценко Е.Д. Внутрирезонаторная лазерная линейная спектроскопия с частотным аналитическим сигналом. - Квантовая электроника, т.18,№ 4,1991, с.509-514.

15. Авторское свидетельство № 1646462. Перестраиваемый двухмодовый лазер. Per. в Государственном реестре изобретений СССР 3 января 1991 г.

16. Konovalov I.P., Protsenko E.D., and Zheltukhin A.A. Intra-Cavity Dispersion Frequency -Domain Laser Spectroscopy - a new method of detecting extremely low concentrations of elements. - Laser Physics, v.l, №1,1991, p.99-109.

17. Желтухин A.A., Коновалов И.П. и Проценко Е.Д. Частотный метод внутрирезонатор-ной лазерной спектроскопии как основа спектрально-аналитических приборов нового типа. /Тезисы докладов 1-й Всесоюзной конференции "Физика и конверсия", Калининград, 1991, с.159-160.

18. Желтухин АА., Лобанов А.Н., Сквирский М.Е., Чернышев В.И. Обеспечение постоянного контроля ЦПУ агрегата неконцентрированной азотной кислоты за проскоком непрореагировавшего аммиака в реакторе окисления. Отчет ФИАИ-ГИАП по теме № 746-ГН. ФИАН-ГИАП, М., 1992 - 51 с.

19. Желтухин АА. Аналитические возможности внутрирезонаторной лазерной дисперсионно-частотной спектроскопии. - Журнал аналитической химии, 1995, т.50, № 9, с.945-951.

20. Ананьев В.Ю., Васильев Б.И., Желтухин А.А. и др. Лазерный комплекс для измерения малых примесей в атмосфере на основе импульсного аммиачного лазера. Отчет по договору № 59-96 ГИ. ФИАН-Мособлкомприрода, М., 1996 - 76 с.

21. АнаньевВ.Ю., Васильев Б.И., Желтухин А.А. и др. NH3 - СО2 лидар для зондирования атмосферы в диапазоне 9-13,5 мкм. - Препринт ФИАН № 54, М., 1998-44 с.

22. Васильев Б.И., Желтухин АА и Нурков В.М. Экологический мониторинг с помощью лидарных систем. - Экологическая безопасность (С.-Петербургский филиал РАН), 2003,12 с (в печати).

23. Васильев Б.И., Желтухин АА Оптическая схема двухчастотного лидара для дистанционного определения концентрации и вида газовых примесей. Труды XLVI Научной конференции Московского физико-технического института "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Москва - Долгопрудный, 28-29 ноября 2003 года, с. 16-17.

$"6181

Подписано в печать 16.01.2004 г. Формат 60x84/16. Заказ N81. Тираж 100 экз. Уч. изд. л. 1,0 Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119391 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 132 51 2В

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ПРИМЕНЕНИЕ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ТЕХНИКИ 10 ДЛЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ.

§1.1. Лазерная внутрирезонаторная техника определения 10 концентрации вещества.

§ 1.2. Выводы и постановка задачи.

§ 1.3. Анализ эффективности использования серийных 27 непрерывных лазеров на красителях в двухмодовом режиме генерации.

Глава И. ДВУХМОДОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ В ЛАЗЕРАХ 44 НА КРАСИТЕЛЯХ.

§2.1. Теоретическое описание двухмодового режима работы 45 лазера с широкой однородной линией усиления.

§ 2.2. Экспериментальное исследование двухмодовой 68 генерации в непрерывных лазерах на красителях.

Глава III. ЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В 80 ДВУХМОДОВОМ НЕПРЕРЫВНОМ ЛАЗЕРЕ НА КРАСИТЕЛЕ С ВНУТРЕННЕЙ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ ЯЧЕЙКОЙ.

§3.1. Теоретическое описание двухмодового непрерывного 81 лазера на красителе с внутренней поглощающей ячейкой

§ 3.2.Экспериментальное исследование взаимодействия 110 мод в непрерывном лазере на красителе с внутренней поглощающей ячейкой.

Глава IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ РЕЗОНАНСОВ 123 ЛИНЕЙНОЙ ДИСПЕРСИИ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ.

§ 4.1. Описание прототипа аналитического лазерного 124 спектрометра на основе двухмодового непрерывного лазера на красителе.

§ 4.2. Экспериментальное определение содержания натрия 129 в объектах естественного происхождения.

• § 4.3. Анализ источников частотных шумов лазерного спектрометра и методы их подавления.

ГЛАВА 5. ЛИДАР НА БАЗЕ NH3 - С02 ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ

§5.1. Обзор литературы.

§ 5.2. Оценка чувствительности двухчастотного лидара 163 в ИК-диапазоне спектра.

§ 5.3. Приемо-передающие системы для систем лазерного 167 дистанционного зондирования.

§ 5.4. NH3 — СО2 лазер в качестве источника зондирующего 174 излучения

5.4.1. Оптическая схема СО2 лазера для двухчастотного 176 лидара.

5.4.2. Оптическая схема NH3 лазера для двухчастотного 181 лидара.

§ 5.5. Основные технические характеристики NH3 — СО лидара

Проведение исследований в различных областях науки и техники, повышение эффективности технологических процессов, осуществление экологического мониторинга последствий вмешательства человека в природные процессы предполагают непрерывное совершенство традиционных и развитие новых методов анализа. Основные технические требования, предъявляемые к этим разработкам, заключаются в повышении чувствительности и избирательности анализа, расширении диапазона определяемых концентраций вещества и повышении экспрессности метода. Следует принимать во внимание и стоимость соответствующего устройства, его технический уровень и удобство при работе с ним.

Наиболее полно отвечают всем указанным требованиям оптические методы анализа, использующие высокостабильные эффекты атомного масштаба, что обеспечивает любую заданную точность и воспроизводимость измерений. Оптические методы легко реализовать в инженерных решениях, и они позволяют создать аналитическую аппаратуру, работающую в масштабе реального времени. Однако, как и всем инструментальным методам анализа, им присуще ограниченный линейный диапазон измеренных концентраций для концентрированной пробы и принципиальное ограничение фоточувствительности в амплитудной методике измерений, а также определенные ограничения по определению дальности типов и концентрации интересующих веществ [1].

Построение калибровочных графиков или процедура предварительного концентрирования, отбор пробы в соответствующих местах на местности ведут к ухудшению экспрессности анализа, возрастают погрешности измерений [2]. Например, когда федеральные и региональные управления по охране окружающей среды или заводские лаборатории горно-обогатительных или химических комбинатов проводят до миллиона регламентных процедур в год каждая, то эти факторы приобретают важное экономическое значение. Кроме того, номенклатура химических материалов и веществ, подлежащих аналитическому контролю, содержит более 215000 наименований с измеряемым диапазоном их содержания от 100% до 10*5 — 10"б% масс. [3]. При растущей дороговизне ручного труда рутинные процедуры химического анализа потребуют значительного расхода средств и времени, даже используя современные оптико-аналитические приборы с обычными источниками света [4,5]. Не улучшает положение и использование лазеров в качестве источника света. Радикальное повышение чувствительности, достигнутое, например, с помощью лазерно-флуоресцентного или лазерно-ионизационного спектрометров [6,7] — вплоть до детектирования единичных атомов и молекул, — является демонстрацией возможностей уникальных устройств, которые сами по себе весьма громоздки, сложны и обслуживаются высококвалифицированным персоналом. Их стоимость приближается к стоимости 10-15 серийных атомно-абсорбционных спектрометров обычного типа. С подобными проблемами сталкивается и тенденция развития лазерных систем для зондирования атмосферы с аналитическими целями. Так широко известные лидары на основе комбинационного рассеяния света характеризуются высокой дороговизной и малым ресурсом работы. Поэтому задача совмещения преимуществ лазерных методов с невысокой стоимостью их инженерного решения актуальна для распространения лазерных технологий в области аналитики. Для этих целей лазерные комплексы должны развиваться в двух направлениях — разработка новых систем для дистанционного обнаружения источников выбросов вредных веществ в атмосферу (лидары) в новых более широких спектральных диапазонах и использование методов на основе внутрирезонаторной спектроскопии для обнаружения очень малых концентрация примесей; в том числе, в применении метода частотного детектирования [8], поскольку техника частотных измерений является наиболее чувствительной, недорогой и простой в обращении. Что касается последнего, то наиболее перспективным в этом отношении является использование лазера с внутренней поглощающей ячейкой [9,10]. В этом случае, лазер рассматривается не только как уникальный источник света, но — при использовании эффекта взаимодействия мод — и как потенциально весьма совершенный измерительный прибор [11]. Разумеется, целесообразно реализовать метод на квантовых генераторах с широкой линией усиления [12].

В развитии недорогих и эффективных лазерных лидарных систем следует руководствоваться свойством избирательного поглощения зондирующего лазерного излучения молекулами газовых примесей, которое при использовании методики измерения коэффициента поглощения лазера на двух различных длинах волн, способно привести к созданию прибора с высокой чувствительностью определения веществ, имеющих линии поглощения в окнах прозрачности атмосферы. Такой двухчастотный лидар весьма перспективен для целей метрологического обеспечения экологического мониторинга [13, 14, 15].

Данная работа посвящена исследованию методов улучшения лидарных систем для применения в экологическом мониторинге атмосферы, включая теоретическую разработку лазерного аналитического метода с частотным детектированием аналитического сигнала, его экспериментальную проверку и создание на его основе прототипа лазерного спектрометра, использующего эффект взаимодействия мод в области ненасыщенной аномальной дисперсии газообразной поглощающей среды, помещаемой внутри лазерного резонатора, а также использования лидара на основе двухчастотного перестраиваемого аммиачного лазера, генерирующего в диапазоне от 9 до 13,5 мкм, который возбуждается излучением СО2 лазера с длиной волны 9,22 мкм.

В первой главе дается краткий обзор и сравнительный анализ лазерной внутрирезонаторной техники, применяемой для аналитических измерений в настоящее время. Здесь же обосновывается вывод о необходимости распространения высокочувствительного метода регистрации частотных резонансов в область линейной дисперсии показателя преломления поглощающего вещества. Отмечаются уникальные возможности в этом отношении непрерывных лазеров на красителях (HJ1K), намечается круг вопросов, подлежащих исследованию. Далее приводится анализ эффективности использования рутинной (серийной) лазерной и частотно-измерительной техники для экспериментальной реализации метода.

Основные результаты сводятся к следующему:

1. Рассчитаны основные параметры дисперсионного резонатора двухмодового непрерывного лазера на красителе с полосой пропускания до 8 ГГц и областью свободной дисперсии ~ 60 нм и соответствующей системы регистрации лазерного излучения. Полученные данные позволяют дать рекомендации по организации двухмодового режима на рутинных лазерах на красителях.

2. Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования явления конкуренции аксиальных мод в непрерывном лазере на красителе. Определены условия, при которых осуществляется устойчивый двухмодовый режим генерации. Показано, что межмодовая связь в таком лазере не зависит от спектроскопических характеристик среды. Полученные данные позволяют произвести инженерный расчет оптимальных параметров лазера в зависимости от конкретных условий измерения.

3. Впервые наблюдались и экспериментально измерены частотные резо-нансы линейной (ненасыщенной) дисперсии в лазерах на красителях с внутренней поглощающей ячейкой. Измерена крутизна фотоотклика для разных типов и давлений посторонннего газа. Показано, что при определенных условиях фотоотклик не зависит от интенсивности внутрирезонаторного поля.

4. Исследованы причины флуктуаций ширины биений аксиальных мод в выходном излучении непрерывного лазера на красителе с оптической накачкой излучением аргонового ионного лазера. Показано, что наложением более жестких требований к виброустойчивости резонатора, изолированности оптической схемы от окружающей атмосферы, системе формирования струи красителя и стабилизации выходной мощности лазера накачки можно снизить уровень частотных шумов излучения более чем на полтора порядка и довести ширину спектра биений до 2 кГц и менее.

5. Предложен новый метод линейной лазерной спектроскопии для целей атомно-абсорбционного анализа. Показана независимость аналитического сигнала от уровня и длительности импульса генерации, относительного уровня генерации в индивидуальной моде. Это позволяет проводить определение концентрации элементов в сильно диспергирующих средах. Зафиксирована высокая избирательность метода.

6. Разработан прототип нового лазерного спектрометра на основе двухмодового непрерывного лазера на красителе с электротермической атомизаци-ей пробы и частотной регистрацией информативного сигнала. Лазерный спектрометр применен для определения концентрации натрия в реальных объектах - водных растворах поваренной соли. При вакуумной атомизации пробы объективно достигнута чувствительность 1 -1011 Гц/% масс.

7. Разработана оптическая схема двухчастотного NH3 - С02 лидара с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации СОг и NH3 лазеров, позволившая отказаться от сложной оптической схемы совмещения пучков.

8. Создан макет двухчастотного лидара на основе NH3 и С02 лазеров в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм без применения дорогостоящего спек-троанализатора для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

9. Произведена оценка концентрационной чувствительности NH3 - С02 лидара для ряда важных атмосферных загрязнителей.

В заключении я выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук Б.И. Васильеву, за проявленное ко мне внимание и поддержку, серьезную помощь в организации и направления хода исследований. Я очень благодарен доктору физико-математических наук, профессору Е.Д.Проценко за стимулирующие консультации и содействие в постановке экспериментов; доктору физикоматематических наук, ведущему научному сотруднику ФИАН [А.Ф.Сучкову| , кандидату физико-математических наук, заведующему лабораторией ГИАП В.А.Петрищеву и всем сотрудникам ГИАП и ФИАН, способствовавших выполнению данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М., Мир, 1989 -608 с.

2. Коростылев П.П. Приготовление растворов для химико-аналитических работ. М., Наука, 1964 390 с.

3. Коренман И.М. Аналитическая химия малых концентраций. М., Химия, 1967 319 с.

4. Спектральный анализ чистых веществ / Под ред. Х.И.Зильбершейна. Л., Химия, 1971 -230 с.

5. Аналитический контроль в азотной промышленности. Труды ГИАП, М., 1978-92 с.

6. Большаков М.А., Дашин С.А., Зыбин А.В. и др. Лазерный атомно-флуоресцентный спектрометр. Журнал аналитической химии, 1986, т. 48, вып. 10, с. 1862- 1870.

7. Зайдель Л.Н. Атомно-флуоресцентный анализ. Л., Химия, 1983 123 с.

8. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Р. Электрорадиоизмерения. М., Высшая школа, 1986-с. 141-160.

9. Сучков А.Ф. Линейная структура спектров генерации ОКГ с неоднородно уширенной линией усиления. Препринт № 12, М., изд. ФИАН. СССР, 1970- 16 с.

10. Васьков В.А., Гончуков С.А., Ермаченко В.М. и др. Газовый лазер с внутренней поглощающей ячейкой. Квантовая электроника, 1973, № 2(14), с. 107-109.

11. Басов Н.Г., Губин М.А., Никитин В.В. и др. Высокочувствительный метод выделения сверхузких спектральных линий, основанный на частотных особенностях двухмодового газового лазера с нелинейным поглощением. Препринт ФИАН, № 183, М., 1981 - 24 с.

12. Лазерная аналитическая спектроскопия / Отв. редактор В.С.Летохов. М., Наука, 1986-318 с.

13. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техникаэксперимента. М., Наука, 1985 608 с.

14. Аналитическая лазерная спектроскопия / Под редакцией Н.Оменетто. Пер. с англ. Н.Б.Зорова, М., Мир, 1982 608 с.

15. Приезжев JI.B. Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М., Наука, 1989 с. 146-149.

16. Гандурин А.Л., Герасимов С.Б., Желтухин А.А. и др. Опто-акустический газоанализатор примесей NO, N02, NH3, С2Н4 и предельных углеводородов. -Журн. прикл. спектроскопии, 1986, т. 45, № 2, с. 337-343.

17. Васильев В.П. Аналитическая химия. 4.2. Физико-химические методы химического анализа. М., Высшая школа, 1989 384 с.

18. Измерения в промышленности. Справочник / Под ред. П.Профоса. Пер. с нем. под редакцией Д.И.Агейкина. М., Мир, 1988, т. 1-3.

19. Зайдель Л.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М., Наука, 1972 486 с.

20. Лазеры на красителях / Под ред. Ф.П.Шефера. Пер. с англ. под ред. Л.Д.Деркачевой. М., Мир, 1976, с. 6-8.

21. Chebotaev V.P., Beterov I.M., and Lisitsin V.N. Selection and self locking of modes in a He-Ne laser with non linear absorption - IEEE. J.Quant. Electronics, 1986, v. 4, № 11, p. 788-790.

22. Пахомычева Л.Л., Свириденков Э.А., Сучков А.Ф. и др. Линейная структура спектров генерации ОКГ с неоднородным уширением линии усиления. Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 12, № 2, с. 60-63.

23. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. М., Наука, 1975 280 с.

24. Желтухин А.А. Михеев Ю.Е., Никулин Е.С. и др. Лазерный интерферометр для измерения электронной плотности в плазмохимических аппаратах. М., Труды ГИАП, 1982, с. 61-68.

25. Бураков B.C., Мисаков П.Я., Науменков П.А. и др. Флуоресцентная регистрация узких линий поглощения в методе внутрирезонаторной атомной спектроскопии. Журн. прикл. спектроскопии, 1978, т. 28, № 3, с. 413416.

26. Мэйтланд А., Данн М. Введение в физику лазеров / Пер с англ. под ред. С.И.Анисимова. М., Наука, 1978, с. 206-208.

27. Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ / Пер. с болг. по ред. С.Э.Яковлевой. J1., Химия, 1983 141 с.

28. Лукьяненко С.Ф., Макогон М.М., Синица JI.H. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия. Основы метода и применения. Новосибирск, Наука, 1985 120 с.

29. Баев В.Н., Беликова Т.П., Свириденков Э.А. и Сучков А.Ф. Внутрирезонаторная спектроскопия с использованием лазеров непрерывного и квазинепрерывного действия. ЖЭТФ, 1978, т. 74, № 1, с. 43-56.

30. Information Catalogue on the ОМА sistem. Princeton, N.Y., Princeton appl. Res. Corp., 1977 - 21 p.

31. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М. Наука, 1985, с. 192-195.

32. Горелик Д.О., Эцин И.Ш. Контроль молекулярных микрокомпонентов атмосферы методами лазерной спектроскопии. Журнал аналитич. химии, 1984, т. 39, вып. 1, с. 1925-1944.

33. Ярив А. Введение в оптическую электронику / Пер. с англ. под ред. О.В. Богданкевича. М. Высшая школа, 1983, с. 298-306.

34. Рааб 3., Гоффман К., Бруннер В., Пауль Г. О применении полупроводникового лазера для внутрирезонаторной абсорбционной спектроскопии. -Квантовая электроника. 1977, т. 4, № 12, с. 2605-2608.

35. Данилейко В.М., Фаль A.M., Федин В.П. и др. Частотно-модуляционные резонансы в He-Ne/CHi лазерах и их использование для стабилизации частоты. - Квантовая электроника. 1986, т. 13, № 3, с. 523-530.

36. Brunner W., and Paul Н. Theory of intracavity absorption spectroscopy, Opt. Commun., 1978, № 10, p. 139-151,

37. Brunner W., and Paul H. Competition between selected and non-selected modes in a multi-mode laser, Opt. Commun., 1978, v. 24, № l,p. 11-15.

38. Brunner W., and Paul H. Coexistens and non coexistens of modes in a multi-mode laser, Opt. Commun., 1978, v. 24, № 1, p. 16-20.

39. Brunner W., and Paul H. Mode competition effects in CW dye lasers, Opt. Commun., 1978, v. 25, № 1, p. 83-86.

40. Brunner W., and Paul H. Mode competition and frequency locking, Opt. Com-mun., 1979, v. 31, №2, p. 137-139.

41. Саркисов O.M., Свириденков O.A. и Сучков А.Ф. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия и ее применение в химической физике. Химическая физика, 1982, № 9, с. 1155-1169.

42. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М., Наука, 1985, с. 347-349, 352-353, 446-458.

43. Багаев С.Н., Бакланов Е.В., Титов Е.А. и Чеботаев В.П. Воспроизводимость частоты He-Ne лазера с метановой поглощающей ячейкой. Письма в ЖЭТФ, 1974, т. 20, с. 292.

44. Басов Н.Г., Губин М.А., Никитин В.В. и Проценко Е.Д. Двухмодовые газовые лазеры и их применение в спектроскопии и оптических стандартах частоты. Квантовая электроника, 1984, т. 11, № 6, с. 1084-1105.

45. Гончуков С.А., Киреев С.В. и Проценко Е.Д. Контрастные резонансы мощности в линейном двухмодовом He-Ne/J2 лазере. Квантовая электроника, 1982, т. 9, № 2, с. 372-374.

46. Львов Б.В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М., Наука, 1966-386 с.

47. Witteman W.T. Mode competition in laser with Homogenous line broadening, IEEE. J. of Quant. Electronics, 1969, v. 5, № 2, p. 92-94.

48. Danielmeyer H.G. Effects of drift and diffusion of excited states on spatial hole burning and laser oscillation. J. of Applied Physics, v. 42, № 8 (1971), p. 3125-3132.

49. Pike C.T. Spatial hole burning in cw-dye lasers. Opt. Commun., 1974, v. 10, № 1, p. 14-17.

50. Hertel I.V. and Stamatovic A.S. Spatial hole burning and oligo-mode distance control in cw-dye lasers. IEEE J of Quant. Electronics, 1975, v. 11, № 5, p. 210-212.

51. Heltel I.V., Muller W. and Stoll W. A kinematic model for the oligo-mode action of a cw-dye lasers. IEEE J. of Quant. Electronics, 1977, v. 13, № 1, p. 6-952